CN101871166A - 一种纱线连续金属镀膜的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种纱线连续金属镀膜方法及装置。该方法采用如下工艺：1.先将真空室的压力抽至≤2×10^-3Pa，然后充入氩气，使真空室的工作压强达到0.5-3.0Pa；2.再把纱线平行往复地连续引进真空室的磁控溅射区内，在100-2000w的溅射功率下镀膜，然后卷绕即得；磁控溅射区是指由两块间隔40-200mm平行放置的矩形靶材构成的区间；纱线通过磁控溅射区内的时间为300-30秒。该装置适用于本发明纱线连续金属镀膜方法，包括真空室和其内两块靶材构成磁控溅射区，其特征在于真空室内按工艺路线还依次安装有退纱筒、张力装置、前导纱转子、后导纱转子、导纱器和卷绕筒以及传动装置和控制机构等。

Description

一种纱线连续金属镀膜的方法及装置

技术领域

本发明涉及功能纺织品技术，具体为一种利用磁控溅射技术使纱线连续金属镀膜的方法及装置。

背景技术

在织物表面涂镀各种金属薄膜，不仅保留了织物柔软、易弯曲等特性，还可以改变织物的表面性能，赋予其各种新的功能，例如抗静电、抗菌、防紫外线、防水、阻燃等，提高了织物的使用范围、档次和附加值。

在织物表面镀金属膜的方法有真空沉积法、化学镀层法、磁控溅射法等。真空沉积法形成的薄膜不够均匀致密，附着力差，膜层容易脱落，难以适应长期的应用。化学镀层法是在反应液中进行，因此会产生加工污染。磁控溅射法可以在织物上形成厚度为纳米级的薄膜，具有沉积速度快、向基材入射能量低(温度低)、镀膜与织物的结合力大、成膜均匀性好、污染小、易于工业化生产等优点，因而在功能纺织品(金属化纺织品)的应用中，具有良好的发展前景。

采用磁控溅射技术在织物上镀膜时，可采用二次法和一次法。二次法是先将织物的一面朝向靶材，并在织物面向靶材的一面上沉积金属膜，获得单面金属化织物，然后再将织物的另一面朝向靶材，并在织物的另一面上也沉积金属膜，最终获得双面都有镀膜的金属化织物。这种二次镀膜的方法，不仅镀膜效率低，镀膜的面积也受到限制。一次法具有双面镀膜功能，即一次完成磁控溅射镀膜的方法，例如，中国实用新型专利CN201381360Y号报道的“在带状纤维织物上磁控溅射纳米银的卷绕镀膜机”，可以在织物的正反两面同时镀制银金属膜。

无论是一次法还是二次法，镀膜都是覆盖在织物表面的纤维上，而处于织物内部的纤维，并不能被金属膜覆盖(参见图1。图1所示的钛金属化涤纶织物呈现的亮暗不同区域，是经纱和纬纱对入射光线的不同反射造成的，织物表面各处均呈暗灰色)。虽然宏观上织物两面似都被金属膜覆盖，但在经纬纱的交织点处，由于上、下层纱线的相互覆盖作用，在上层纱线的背面或者下层纱的上面，并不能被镀膜所覆盖。图2是从图1的金属镀膜织物中拆出的经纱外观照片图。从该图中可以明显地看到，纱线上被金属膜覆盖的黑区和未被金属膜覆盖的白区交替存在；同样，从金属镀膜织物中拆出的纬纱也有类似情况。这种经纱和纬纱未被金属膜覆盖区域的存在，将在一定程度上影响金属化织物的品质和功能。在申请人检索的范围内，有关利用磁控溅射技术使纱线金属镀膜的文献尚未见报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种纱线连续金属镀膜的方法及装置。该方法采用磁控溅射技术，可实现在纱线表面上的金属镀膜，且工艺简单，镀膜均匀，适于工业化生产；该装置适用于本发明所述的方法，且结构简单，使用方便，适用于工业化使用；所制得的纱线适于进一步织造加工，可制作高品质的金属化织物。

本发明解决所述方法技术问题的技术方案是；设计一种纱线连续金属镀膜的方法，该方法采用如下工艺：

(1).先将真空室的压力抽至≤2×10^-3Pa，然后充入氩气，使真空室的工作压强达到0.5-3.0Pa；

(2).再把纱线平行往复地连续引进真空室的磁控溅射区内，在100-2000w的溅射功率下，使金属不断地沉积在纱线的表面上镀膜，然后卷绕即得；所述的磁控溅射区是指由两块间隔40-200mm平行放置的矩形靶材构成的区间；所述纱线通过磁控溅射区内的时间为300-30秒。

本发明解决所述装置技术问题的技术方案是：设计一种纱线连续金属镀膜装置，该装置适用于本发明所述的纱线连续金属镀膜方法，包括真空室和其内间隔40-200mm平行安装的两块靶材，两块靶材之间构成磁控溅射区，其特征在于真空室内按工艺路线还依次安装有退纱筒、张力装置、前导纱转子、后导纱转子、导纱器和卷绕筒；所述退纱筒活套在锭杆上，卷绕筒用键安装在传动轴上；安装在真空室外边的伺服电机及其控制机构控制驱动传动轴转动卷绕；所述的磁控溅射区设计在所述前导纱转子与后导纱转子之间。

与现有技术相比，本发明方法采用磁控溅射技术，且纱线是在运动中连续镀膜，纱线在两个对靶之间的溅射区内往返多次，因而纱线镀膜工艺简单，镀膜均匀，可同时获得多根连续的金属化纱线；本发明装置适用于本发明所述的方法，且结构简单，操作方便，适用于工业化生产；所制得的纱线适于进一步织造加工，可制作高品质的金属化织物。

附图说明

图1是传统制备方法所制得的磁控溅射钛金属化涤纶织物的照片图，它表达了传统磁控溅射镀膜织物的外观镀膜形态。

图2是图1所述传统方法所制得的磁控溅射钛金属化涤纶织物中拆出来的纱线外观照片图，它说明了传统磁控溅射金属化织物中的镀膜在纱线上是交替分布的情形(黑区为金属镀膜覆盖区；白区为未被金属镀膜覆盖区)。

图3是本发明纱线连续镀膜装置一种实施例的整体结构及工艺过程示意图。

图4采用本发明纱线连续镀膜方法制备的钛金属化纱线照片图。其中，图4(a)是钛金属镀膜涤纶束丝照片图；图4(b)是钛金属镀膜丙纶单丝照片图；两幅照片都说明了本发明方法及装置的镀膜能够均匀完全覆盖在纱线的表面上，没有未覆盖白区。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：实施例仅用于进一步详细描述本发明，不限制本发明申请权利要求的保护范围。

本发明设计的纱线连续金属镀膜方法(简称方法，参见图1-4)，该方法采用磁控溅射技术和如下工艺：

1.先将真空室1的压力抽至≤2×10^-3Pa，然后充入氩气，使真空室的工作压强达到0.5-3.0Pa；

2.再把纱线平行往复地连续引进真空室1的磁控溅射区内，在100-2000w的溅射功率下，使金属不断地沉积在纱线的表面上镀膜，然后卷绕即得；所述的磁控溅射区是指由两块间隔40-200mm平行放置的矩形靶材2构成的区间；所述纱线通过磁控溅射区内的时间为300-30秒。

本发明方法操作时，可预先将经过丙酮(或酒精)清洁的纱线缠绕在退纱筒3上，清洁纱线的目的是清除纱线表面的油剂、污物，以提高镀膜与纱线的结合牢度。所述的纱线包括短纤维纱线和长丝纱线。

本发明方法镀膜时，先将真空室的压力抽至≤2×10^-3Pa，然后充入氩气至工艺设定的工作压强；在溅射镀膜过程中，氩气原子被电离成离子状态，氩离子在高压电场作用下加速，与靶材2的表面相撞击，靶材2表面的原子因吸收氩离子的动能而脱离原来的晶格束缚状态，结果是靶材2原子逸出靶材2的表面飞向纱线，并在纱线上沉积成薄膜。纱线受靶材2两侧的前、后导纱转子5/4的引导，在两个靶材2构成的溅射区内往返多次(至少3次，但也可以为1次，实施例为9次)，使纱线连续多次溅射镀膜。这种设计一方面提高了纱线镀膜的效率；另一方面改善了纱线镀膜的质量。

本发明方法的溅射功率、溅射时间、工作压强是磁控溅射的工艺参数，它们影响金属膜的沉积速度。同时，溅射时间的选择还与溅射功率的大小有关，采用的溅射功率小，镀膜时间可以长；反之，镀膜时间应缩短，以免纱线在镀膜时因热量积聚过多而产生断头。

镀膜后的纱线，可被均匀缠绕在卷纱筒12上，卷纱筒12在伺服电机8和控制机构的控制下积极传动。调节伺服电机8的转速，可以调节纱线通过磁控溅射区的时间，实现镀膜工艺的控制。

镀膜结束后，将金属化的纱线从真空室1中取出，然后经过常规的整经、穿经等工艺，再利用传统的织机或经编机，就可以织成机织物或经编针织物；也可以直接在纬编机上织成针织物。

本发明同时设计了纱线连续金属镀膜装置(简称装置，参见图3)，该装置适用于本发明所述的方法，包括真空室1和其内间隔40-200mm平行安装的两块靶材2，两块靶材2之间构成磁控溅射区，其特征在于真空室1内按工艺路线还依次安装有退纱筒3、张力装置9、前导纱转子5、后导纱转子4、导纱器6和卷绕筒12；所述退纱筒3活套在锭杆10上，卷绕筒12用键安装在传动轴7上；安装在真空室1外边的伺服电机8及其控制机构14可控制驱动传动轴7转动卷绕；所述的磁控溅射区设计在所述前导纱转子5与后导纱转子4之间。

为了提高镀膜效率和效果，所述的前导纱转子5和后导纱转子4至少为平行安装的2组(即2个前导纱转子5和两个后导纱转子4；1个前导纱转子5和1个后导纱转子4为1组，两组导纱转子上下平行安装)，以使纱线往复多次通过磁控溅射区。为简单，退纱筒3采用了消极传动。所述锭杆10垂直安装的真空室1内的一侧。所述传动轴7垂直安装在真空室1内的另一侧。卷绕筒12采用积极传动，通过伺服电机8及其控制机构14可控制驱动传动轴7转动，带动用键固定在传动轴7上的卷绕筒12稳定转动。

为了进一步提高镀膜效率和保证镀膜质量，本发明装置的进一步特征是(参见图3)，所述的退纱筒3、张力装置9、导纱器6和卷绕筒12为2-6组，且退纱筒3上下串联活套在锭杆10上，卷绕筒12上下串联用键固定安装在传动轴7上，张力装置9和导纱器6分别平行安装在磁控溅射区的两侧；所述每一组退纱筒3、张力装置9、导纱器6和卷绕筒12对应有平行安装的2-6组所述的前导纱转子5和后导纱转子4。

本发明装置的进一步特征还在于，当退纱筒3为2个以上时，上下串联活套在锭杆10上的相邻退纱筒3之间安装有托盘11，或者说每个退纱筒3的下面均安装有托盘11；所述每个卷绕筒12的下面均安装有定位螺母13，或者说相邻卷绕筒12之间安装有定位螺母13。设计托盘11的目的是托持退纱筒3，以避免上面退纱筒3的重量施加于其下面的退纱筒3，影响消极退绕的退纱筒3与锭杆10之间的摩擦阻力，造成退绕纱线间张力的不均匀。设计定位螺母13的目的与设计托盘11的目的类似，避免上下卷绕筒12相互干扰，同时定位好卷绕筒12，便于其均匀稳定卷绕。

本发明工作原理和过程是：退纱筒3活套在锭杆10上，它在纱线张力的拖动下绕锭杆10回转而退绕出纱线。退出的纱线首先经过张力装置9获得适当的张力，张力的大小以使纱线在磁控溅射区不产生松弛为原则，越小越好，以避免在镀膜过程中纱线产生拉伸变形。纱线经前导纱转子5的引导，进入两块平行靶材2构成的磁控溅射区内，再经后导纱转子4引回，如此纱线在磁控溅射区内平行往返多次，使从靶材2上溅射的金属原子或原子团不断地沉积在纱线上，最终在连续纱线表面形成均匀的金属膜。完成镀膜的纱线卷绕在卷纱筒12上。在卷绕过程中，导纱器6引导纱线上下往复移动，使纱线在卷纱筒12上排列均匀、平整。卷纱筒12的回转由控制机构14控制伺服电机8驱动传动轴7实现，调节伺服电机8的转速，即可以调节纱线运动的速度，最终调节纱线在溅射区通过的时间，即溅射时间，控制镀膜质量。控制机构14及其控制驱动的伺服电机8为现有技术。

完成镀膜后的纱线，可以采用传统的机织或针织方法加工成质量优良的金属化织物。

本发明未述及之处适用于现有技术。

下面给出本发明的具体实施例。

实施例1

采用本发明方法和装置制备钛金属化丙纶单丝纱。选用60tex丙纶单丝和钛金属靶材2，在磁控溅射镀膜装置的真空室1内，把预先卷绕有纱线的5个退纱筒3，上下串联活套在锭杆10上，相邻的退纱筒3之间安装有托盘11，两块靶材2以120mm的间隔平行排列，从每个退纱筒3上退绕下来的纱线由对应的张力装置9对其施加张力，经对应的前、后导纱转子5、4的引导在所述靶材2构成的磁控溅射区中间反复穿过镀膜，然后经对应的导纱器6引入相应的卷绕筒12上卷绕。

当各根纱线在本发明连续镀纱装置上布置好以后，关闭真空室1，先将真空室1的压力抽至2×10^-3Pa，充入氩气至压强1.0Pa，在溅射功率1200w、溅射时间120s条件下，在纱线上连续镀制金属膜，直至连续纱线被完全卷绕到卷纱筒12上，结束镀膜过程，即制备出钛金属化丙纶单丝纱(参见图4(b))。

实施例2

先将真空室1的压力抽至1.8×10^-3Pa，然后充氩气至工作压强1.5Pa，在溅射功率2000W、镀膜时间60S条件下，制备出钛金属化丙纶单丝纱。余同实施例1。

实施例3

先将真空室1的压力抽至1.5×10^-3Pa，然后充氩气至工作压强1.0Pa，在溅射功率500W、镀膜时间180S条件下，制备出钛金属化丙纶单丝纱。余同实施例1。

实施例4

采用18tex涤纶束丝纱，以钛金属为靶材，先将真空室抽至压强2×10^-3Pa，然后充氩气至工作压强1.5Pa，在溅射功率300W、镀膜时间60S条件下，制备出钛金属化的涤纶纱(参见图4(b))。余同实施例1。

Claims (5)

1.一种纱线连续金属镀膜方法，该方法采用如下工艺：

(1).先将真空室的压力抽至≤2×10^-3Pa，然后充入氩气，使真空室的工作压强达到0.5-3.0Pa；

(2).再把纱线平行往复地连续引进真空室的磁控溅射区内，在100-2000w的溅射功率下，使金属不断地沉积在纱线的表面上镀膜，然后卷绕即得；所述的磁控溅射区是指由两块间隔40-200mm平行放置的矩形靶材构成的区间；所述纱线通过磁控溅射区内的时间为300-30秒。

2.一种纱线连续金属镀膜装置，该装置适用于权利要求1所述的纱线连续金属镀膜方法，包括真空室和其内间隔40-200mm平行安装的两块靶材，两块靶材之间构成磁控溅射区，其特征在于真空室内按工艺路线还依次安装有退纱筒、张力装置、前导纱转子、后导纱转子、导纱器和卷绕筒；所述退纱筒活套在锭杆上，卷绕筒用键安装在传动轴上；安装在真空室外边的伺服电机及其控制机构控制驱动传动轴转动卷绕；所述的磁控溅射区设计在所述前导纱转子与后导纱转子之间.

3.根据权利要求2所述的纱线连续金属镀膜装置，其特征在于所述的前导纱转子和后导纱转子至少为平行安装的2组。

4.根据权利要求2或3所述的纱线连续金属镀膜装置，其特征在于所述的退纱筒、张力装置、导纱器和卷绕筒为2-6组，且退纱筒上下串联活套在锭杆上，卷绕筒上下串联用键安装在传动轴上，张力装置和导纱器分别平行安装在磁控溅射区的两侧；所述每一组退纱筒、张力装置、导纱器和卷绕筒对应有平行安装的2-6组所述的前导纱转子和后导纱转子。

5.根据权利要求4所述的纱线连续金属镀膜装置，其特征在于所述退纱筒的下面安装有托盘；所述卷绕筒的下面安装有定位螺母。

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